船用立式海水泵振動(dòng)烈度檢測(cè)技術(shù)

一、 檢測(cè)原理

振動(dòng)烈度是評(píng)價(jià)旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)綜合性指標(biāo)，定義為振動(dòng)速度的有效值（均方根值），在10 Hz至1 kHz頻率范圍內(nèi)于指定測(cè)量點(diǎn)、方向上的寬帶振動(dòng)測(cè)量。其科學(xué)依據(jù)在于，振動(dòng)速度的均方根值與振動(dòng)能量直接相關(guān)，能更準(zhǔn)確地反映機(jī)械疲勞損傷和整體振動(dòng)強(qiáng)度，優(yōu)于位移和加速度的單一參數(shù)評(píng)價(jià)。

對(duì)于船用立式海水泵，其振動(dòng)主要源于：

1. 機(jī)械不平衡：轉(zhuǎn)子（葉輪）質(zhì)量分布不均，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速同頻的離心力。

2. 不對(duì)中：泵軸與電機(jī)軸的中心線存在偏移或夾角，產(chǎn)生2倍頻等高次諧波。

3. 軸承故障：滾動(dòng)軸承的滾道、滾動(dòng)體缺陷引發(fā)高頻沖擊振動(dòng)；滑動(dòng)軸承的油膜渦動(dòng)、振蕩引發(fā)半頻或低頻振動(dòng)。

4. 水力激振：葉輪與蝸殼/導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉、汽蝕、流量不均（偏離佳效率點(diǎn)）等產(chǎn)生寬頻帶振動(dòng)及通過頻率的諧波。

5. 結(jié)構(gòu)共振：泵組或基座的固有頻率與激振力頻率重合，導(dǎo)致振動(dòng)放大。

6. 軸電流與電氣故障：電機(jī)磁場(chǎng)不均、轉(zhuǎn)子斷條等產(chǎn)生電磁振動(dòng)，頻率通常為電源頻率的倍數(shù)。

振動(dòng)烈度檢測(cè)通過捕捉并分析這些寬頻帶振動(dòng)信號(hào)，量化其總體能量水平，從而評(píng)估泵組的整體機(jī)械完整性、安裝質(zhì)量及運(yùn)行穩(wěn)定性。

二、 檢測(cè)項(xiàng)目

船用立式海水泵的振動(dòng)檢測(cè)項(xiàng)目系統(tǒng)分類如下：

1. 常規(guī)振動(dòng)烈度檢測(cè)：

   • 軸承座振動(dòng)測(cè)量：在泵和驅(qū)動(dòng)電機(jī)各支撐軸承座的水平、垂直和軸向三個(gè)方向進(jìn)行振動(dòng)速度有效值測(cè)量。這是基本和核心的檢測(cè)項(xiàng)目。

   • 殼體振動(dòng)測(cè)量：在泵殼體剛性部位進(jìn)行測(cè)量，評(píng)估水力激振和結(jié)構(gòu)傳遞的振動(dòng)。

2. 頻譜分析：

   • 對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，用于識(shí)別主導(dǎo)振動(dòng)頻率成分，精確診斷故障源（如不平衡、不對(duì)中、軸承故障特征頻率等）。

3. 時(shí)域波形分析：

   • 觀察原始振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形，用于識(shí)別沖擊、調(diào)制等非平穩(wěn)現(xiàn)象，對(duì)軸承和齒輪故障的早期診斷尤為重要。

4. 包絡(luò)解調(diào)分析：

   • 特別適用于早期滾動(dòng)軸承和齒輪故障診斷。通過高頻共振解調(diào)技術(shù)，提取被故障沖擊信號(hào)調(diào)制的載波頻率，從而在強(qiáng)背景噪聲下識(shí)別出微弱的周期性沖擊。

5. 相位分析：

   • 測(cè)量不同測(cè)點(diǎn)間振動(dòng)的相位差，用于輔助判斷轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡狀態(tài)、軸系對(duì)中情況及結(jié)構(gòu)模態(tài)。

6. 瞬態(tài)過程分析：

   • 在泵的啟動(dòng)、停機(jī)過程中進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，用于識(shí)別通過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)及結(jié)構(gòu)共振頻率。

三、 檢測(cè)范圍

船用立式海水泵廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，其振動(dòng)檢測(cè)要求需覆蓋：

1. 船舶與海洋工程：

   • 艙底泵、壓載泵、消防泵、冷卻水泵：需滿足船級(jí)社（如CCS, DNV, ABS, LR等）規(guī)范，確保船舶安全與舒適性。振動(dòng)烈度限值通常為嚴(yán)格。

   • 海上平臺(tái)海水提升泵：除滿足船舶要求外，還需考慮平臺(tái)特殊結(jié)構(gòu)下的振動(dòng)傳遞。

2. 海軍艦艇：

   • 對(duì)振動(dòng)和噪聲有極高要求，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)苛，涉及隱身性能。

3. 電廠與能源設(shè)施：

   • 用于濱海電廠或海上設(shè)施的循環(huán)冷卻水泵，需遵循電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，保證長期連續(xù)運(yùn)行的可靠性。

4. 海水淡化廠：

   • 反滲透高壓泵、循環(huán)泵的振動(dòng)直接影響膜壽命和系統(tǒng)效率。

5. 石油化工：

   • 海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置所用海水泵，需滿足API等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

四、 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)船用立式海水泵的振動(dòng)限值、測(cè)量方法和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則有明確規(guī)定。

• 及國外主要標(biāo)準(zhǔn)：

  • ISO 10816-3：《機(jī)械振動(dòng) 在非旋轉(zhuǎn)部件上測(cè)量和評(píng)價(jià)機(jī)器振動(dòng) 第3部分：額定功率大于15kW額定轉(zhuǎn)速在120r/min至15000r/min之間的工業(yè)機(jī)器》。該系列標(biāo)準(zhǔn)是基礎(chǔ)，按功率和支撐剛度對(duì)機(jī)器分類，并規(guī)定了不同區(qū)域（從“良好”到“不可接受”）的振動(dòng)烈度限值。立式泵可參考此類標(biāo)準(zhǔn)。

  • ISO 20816-3：逐步取代ISO 10816-3，內(nèi)容更為詳盡。

  • 各船級(jí)社規(guī)范：如DNV-GL、ABS、LR等均有專門章節(jié)規(guī)定船用泵的振動(dòng)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，通?；贗SO標(biāo)準(zhǔn)但結(jié)合船舶特殊性進(jìn)行了調(diào)整和加嚴(yán)。

  • API 610：《石油、石化和天然氣工業(yè)用離心泵》。雖然主要針對(duì)臥式泵，但其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼駝?dòng)測(cè)量和評(píng)價(jià)方法對(duì)高性能立式泵有重要參考價(jià)值。

• 國內(nèi)主要標(biāo)準(zhǔn)：

  • GB/T 29531-2013《泵的振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)方法》：等同采用ISO 10816-3，是國內(nèi)泵振動(dòng)檢測(cè)的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)。

  • CB/T 3482-2016《船用泵振動(dòng)噪聲測(cè)量方法》：針對(duì)船用泵的特殊安裝和使用條件，規(guī)定了詳細(xì)的測(cè)量方法和要求。

  • 中國船級(jí)社（CCS）《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》：對(duì)船舶重要泵的振動(dòng)有明確要求。

對(duì)比分析：

• 共性：均以振動(dòng)速度有效值（mm/s）作為主要評(píng)價(jià)參數(shù)，測(cè)量頻率范圍通常為10 Hz ~ 1 kHz。

• 差異：

  • 限值嚴(yán)格程度：船級(jí)社規(guī)范，尤其是對(duì)軍用和高性能船舶，其振動(dòng)限值通常比普通工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 10816-3）更為嚴(yán)格。

  • 測(cè)點(diǎn)布置：船用標(biāo)準(zhǔn)更強(qiáng)調(diào)在船舶實(shí)際安裝條件下的測(cè)量，可能包含對(duì)基座振動(dòng)的測(cè)量要求。

  • 工況要求：API標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試工況（流量點(diǎn)）的規(guī)定極為嚴(yán)格，而通用ISO和國標(biāo)相對(duì)寬松。船用標(biāo)準(zhǔn)則強(qiáng)調(diào)在船舶典型工況下的測(cè)試。

五、 檢測(cè)方法

1. 測(cè)點(diǎn)布置：

   • 在泵和電機(jī)的每個(gè)軸承座或靠近軸承的剛性殼體上，至少布置水平（H）、垂直（V）、軸向（A）三個(gè)方向的測(cè)點(diǎn)。

   • 傳感器安裝位置應(yīng)清潔、平整，確保剛性連接。優(yōu)先采用螺紋連接或磁座，手持式探頭僅用于快速篩查。

   • 對(duì)于立式泵，應(yīng)特別關(guān)注推力軸承位置的軸向振動(dòng)。

2. 測(cè)量工況：

   • 必須在泵的額定轉(zhuǎn)速和穩(wěn)定流量（通常要求在額定流量點(diǎn)）下進(jìn)行測(cè)量。應(yīng)記錄泵的實(shí)際流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)。

   • 避免在汽蝕工況或極大偏離佳效率點(diǎn)運(yùn)行。

3. 數(shù)據(jù)采集：

   • 設(shè)置合適的采樣頻率和采樣長度，確保能覆蓋所需分析頻率（通常為1kHz或更高），并滿足頻譜分析的要求。

   • 每個(gè)測(cè)點(diǎn)每次測(cè)量時(shí)間應(yīng)足夠長，以獲取穩(wěn)定的振動(dòng)信號(hào)，通常不少于10秒。

4. 儀器校準(zhǔn)：

   • 檢測(cè)前后應(yīng)對(duì)傳感器和整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

六、 檢測(cè)儀器

1. 便攜式振動(dòng)分析儀：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：集成振動(dòng)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、信號(hào)調(diào)理器和分析軟件于一體。具備振動(dòng)烈度測(cè)量、頻譜分析、時(shí)域波形、包絡(luò)解調(diào)等多種功能。電池供電，適合現(xiàn)場(chǎng)使用。

   • 核心參數(shù)：頻率范圍（至少0.5Hz ~ 5kHz）、動(dòng)態(tài)范圍、ADC分辨率（至少16位）、抗混疊濾波器性能。

2. 振動(dòng)傳感器（加速度計(jì)）：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：采用壓電效應(yīng)，將振動(dòng)加速度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。選擇ICP型（內(nèi)置電路）便于與大多數(shù)分析儀連接。

   • 關(guān)鍵指標(biāo)：靈敏度（mV/g）、頻率響應(yīng)范圍、安裝共振頻率、動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于低頻豐富的立式泵，需關(guān)注其低頻響應(yīng)特性。

3. 數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理系統(tǒng)：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：多通道同步采集，高精度ADC，強(qiáng)大的實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力（FFT、階次分析等），支持在線和離線分析。

4. 儀器選擇要點(diǎn)：滿足所需頻率范圍和動(dòng)態(tài)范圍；具備必要的分析功能（如包絡(luò)解調(diào)用于軸承診斷）；堅(jiān)固耐用，適應(yīng)船舶機(jī)艙的惡劣環(huán)境（防潮、防鹽霧）。

七、 結(jié)果分析與評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

1. 分析方法：

   • 總體烈度評(píng)價(jià)：將各測(cè)點(diǎn)、各方向測(cè)得的振動(dòng)速度有效值與標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 10816-3或船級(jí)社規(guī)范）中規(guī)定的限值進(jìn)行比較，確定機(jī)器狀態(tài)區(qū)域（A/B/C/D）。

   • 頻譜分析診斷：識(shí)別頻譜中的峰值頻率，計(jì)算其與轉(zhuǎn)頻（1X）的比值，判斷故障類型：

     • 1X頻率高：通常為不平衡。

     • 2X頻率高：可能為不對(duì)中或機(jī)械松動(dòng)。

     • 轉(zhuǎn)頻分?jǐn)?shù)倍（如0.43X-0.48X）：可能為油膜渦動(dòng)。

     • 軸承特征頻率（BPFO, BPFI, BSF, FTF）出現(xiàn)：對(duì)應(yīng)軸承故障。

     • 葉通過頻率及其諧波：水力激振。

   • 趨勢(shì)分析：定期檢測(cè)，繪制振動(dòng)值隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖。振動(dòng)的緩慢增長可能預(yù)示磨損，急劇升高預(yù)示突發(fā)故障。

2. 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 通常依據(jù)所選用標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 10816-3）進(jìn)行四區(qū)域劃分：

     • 區(qū)域A（良好）：新交付機(jī)器的振動(dòng)水平，可長期安全運(yùn)行。

     • 區(qū)域B（合格）：振動(dòng)水平可接受，可無限制長期運(yùn)行。

     • 區(qū)域C（不滿意）：振動(dòng)水平已超標(biāo)，建議安排計(jì)劃維修。

     • 區(qū)域D（危險(xiǎn)）：振動(dòng)水平嚴(yán)重超標(biāo)，足以導(dǎo)致機(jī)器損壞，必須立即停機(jī)檢修。

   • 船級(jí)社驗(yàn)收：通常要求振動(dòng)烈度值在區(qū)域A或B之內(nèi)。

   • 綜合評(píng)判：不應(yīng)僅看單一測(cè)點(diǎn)的烈度值，需結(jié)合頻譜分析、歷史趨勢(shì)、運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行綜合診斷。即使總體烈度未超標(biāo)，但某一特定故障頻率分量顯著增長，也需引起高度重視。